水晶的理性與感性

 
2017/01/06 黃武良 | 臺灣大學地質科學研究所(已退休)
劉淑蓉 | 臺灣大學師資培育中心(已退休)     1,077
 
水晶是什麼

古代的水晶球多數是由石英、綠柱石等透明晶體琢磨而成,因此水晶傳統上是指清澈的天然晶體。其礦物成分可以不同,有石英質、綠柱石質、黃玉、方解石、螢石、鹽岩、石膏,甚或火山玻璃。但因石英質最普遍,目前談到天然水晶多數是指透明的石英晶體。

17世紀末玻璃水晶的出現,讓「水晶(crystal)」一詞被廣泛使用,因此常以rock crystal稱呼天然水晶以作區別。精品店所謂crystal藝品的水晶燈、杯、瓶等,雖然也透明沉重很像天然水晶,而琉璃的色澤也類似天然有色水晶,但除極少數外,常是「非晶質」的玻璃水晶,嚴格來說不是晶體。這類「非晶質」的水晶常被誤解是「晶質」的天然水晶。

水晶的誕生

石英是地殼岩石中含量僅次於長石的礦物,常見的砂岩或沙灘的砂中,一半以上是石英,但大而美的水晶需在特殊的地質條件下才能形成。多數的石英水晶生長於偉晶花崗岩脈的岩洞中,或熱液沉澱的石英脈中。花崗岩漿一般含有過量(約60%)的二氧化矽,在其凝固過程中除被較早結晶的礦物長石及雲母用掉之外,尚殘留多量的二氧化矽,在後期的岩漿中結晶為石英水晶。

晶洞的成因與一般石英脈的水晶不同,多數是由於空心的火山彈或火山岩中的氣囊被含高量矽質的熱液滲入。早期熱液中的矽膠濃度高,播種水晶快,沉澱無數微小纖維狀的水晶,聚合在一起形成玉髓或瑪瑙;而後期矽質濃度降低,播種減緩,便開始生長成錐狀的水晶體。

這類熱液除富含矽質外也含微量的三價鐵可取代水晶中四價矽,電價不平衡造成電洞,使得晶體會吸收紅橙光,多透出紫藍光,因而常以紫水晶出現,倘若三價鐵未能進入晶體結構中,則只呈現三價鐵離子的黃色就成黃水晶。近年對晶洞的研究發現,巴西紫石英是在約攝氏100度,甚或攝氏50度以下的低溫生長的,至於生長紫石英所需的時間,估算至少十萬或百萬年,且隨周遭環境差異很大。

天然水晶的世界

石英水晶經常以透明或半透明的晶簇群聚出現,其中個別石英晶體多數是單晶,即晶體內的原子排列連續無間斷。石英經常從岩石晶洞或裂隙內壁開始向外生長,因此多數只有一端有晶錐狀的晶面,但偶爾會出現兩端都有晶錐的雙端晶。石英晶簇中除清澈亮麗的晶體外,常相伴著半透明或乳白色的晶座。天然石英以乳白色居多,因其內含無數微細氣泡。

石英水晶有時會以五顏六色出現,常見的有紫水晶、黃水晶、紫黃水晶、黑晶、煙水晶、綠水晶、彩虹水晶、玫瑰石英等。其顏色來自所含的微量元素如鐵、鈦、鋁,加上輻射光照射或受熱。水晶有時包含其他各種小礦物晶體,變化多端,如含金紅石的金髮晶、銀髮晶,含綠泥石或陽起石的綠髮晶,含電氣石的黑髮晶。

另外,幽靈水晶又稱異象水晶,是多個水晶交互生長,或因生長中斷後再重新生長而成,光線經由各晶體界面反射及折射如鏡中鏡,影像變化萬千。隱晶質石英水晶不是單晶質,而是由無數微小水晶(隱晶質或多晶質)組成的,也就是大家熟悉的玉髓或瑪瑙。天然玻璃水晶十分類似人造玻璃,是海底火山噴出的熔岩遇海水快速冷卻凝固而成。最常見的是黑曜石,以黑色為主,偶爾呈現藍色或綠色以及少見的紅色,多數是半透明。較少見的摩達維石是隕石撞擊所濺出的熔岩快速冷卻造成的玻隕石或似曜岩。

石英水晶的內在石英晶體是由許多四面體的小金字塔型的矽酸根離子(SiO4–4)連結而成,小金字塔的結構是矽在中心和4個氧在四角,連結時一半的氧是共用,因此石英的成分是二氧化矽。3個小金字塔(Si3O6)構成六方或三方晶系的晶胞(體積113 ų),是石英晶體構造的基本單位(磚塊)。許多晶胞在堆砌成晶體時,是在三度空間沿著c軸(長柱方向)扭旋而上。個別晶體開始生長時的扭轉方向,決定晶體長成後的外形是左旋晶或右旋晶,稱為左右對映形,是大自然巧手創造對稱美的佳例。

石英水晶的外貌

自然界中,同一種礦物晶體在類似的環境下生長,常傾向結晶成特有的外形,這種習性稱為礦物的「晶癖」。常見的石英水晶外形就是晶癖的表現。

不過,在空間不足時,結晶外形受限,因而長成周遭的形狀,猶水之方圓在於器。更有甚者,在特殊的條件下可能形成假晶或假像,就是石英在生長時,一點一滴取代其他礦物或物體,因此最後長成的外形,不像自己而是承續其他礦物的外形,例如有外形像方解石、螢石、石膏,或木頭、貝殼的石英晶體。如此生成的石英可以是單晶體,或是多晶質石英如石化木。另外,有貓眼效應的虎眼石是石英在生長時取代平行排列纖維狀的石棉晶體而成的假晶。

水晶的能量

水晶在古今人們心中一直存在著無限的神祕感,代表純真、透明、無瑕。水晶球因為清澈透明,球形就像凸透鏡會使透視的影像扭曲造成幻覺,自古就被許多人當作可預見未來的寶物。而石英的預言、治病療傷、保佑祈福的傳說,東西方也自古不斷。許多現代人認為石英具有吸收或發射能量的特殊功能;有人相信水晶具有靈性與生命;也有人相信石英水晶磁場特別強大,清澈水晶可以聚光透視心靈,讓人自信與充滿希望。這些目前都尚無科學學理的支持,但水晶曾撫平許多人的心靈則是無庸置疑的。

不過,水晶在科學上倒是有一種其他礦物很少具有的特性,就是當施加壓力時,晶體可以產生微弱的電流,即所謂的壓電效應。雖然其他礦物結晶倘若無對稱中心,也多少有這特性,但石英的壓電效應特別明顯且穩定。壓電效應是否與傳說的神奇能量有所關聯呢?如果勉強要解釋,可能是石英水晶在乾燥環境下帶有靜電,因壓電效應產生振動而導致空氣的波動,但即使如此,其能量也十分微小,很難被人體吸收。

合成與應用

石英是近代工業上非常重要的材料,目前,石英的壓電效應被廣泛運用在石英計時器及工業用的振盪器上,而石英脫氧後的元素—矽的結晶(矽晶),更是目前IC產業之母。為因應石英晶體在工業上的大量需求,業界以人工合成石英水晶,其原子排列及特性與天然石英完全一樣,且因品質、顏色或純度容易調控,更符合工業需要。

石英因在高溫時結構會改變,無法使用一般在常壓下從高溫熔體中結晶寶石的方法,因而使用接近天然石英形成環境的高壓熱水合成技術。為了加速生長,除使用晶種外,也提高合成時的溫度和壓力以及增加溫度梯度,一般是攝氏330~360度、900~1,450大氣壓。這方法(俗稱養晶)也常用於合成寶石用的紫水晶和黃水晶,以及祖母綠、紅寶石、金綠寶石等,如此合成的寶石最接近天然寶石。
除養晶外,常使用熱處理或輻射優化水晶的色彩。最常見的是以加熱至攝氏550度,將微量鐵從石英結構中的析出,成為微粒的三氧化二鐵,使紫水晶變臉為黃水晶或增進黃水晶的色澤。

非晶之晶勝於晶嗎

廣義上,透明晶亮的含鉛玻璃都可稱為水晶玻璃,外表與天然水晶類似。兩者最大的差異在於:晶質的天然水晶內部的原子做有序排列,而非晶質的玻璃水晶,其內部原子結構做隨機的無序的集結,仍保留在熔化時的狀態,在快速凝固時原子來不及整隊形成晶體,因此沒有一定的熔點,到高溫時只會逐漸軟化成液體。

人類使用含鉛玻璃可追溯到三千四百多年前,米索不達米尼亞的普爾古城發現有含鉛3.6%的玻璃,漢朝也有過含鉛玻璃的玉飾。1969年起,依歐洲共同體的標準,含鉛的玻璃需要有達24%的氧化鉛、比重超過2.9、折射率大於1.545才可稱為水晶,一般稱為水晶玻璃或人造水晶(有別於前文的合成石英水晶);而含鉛低於24%的只能稱為含鉛玻璃。一般水晶玻璃商品的含鉛量以32%為多。

玻璃摻入鉛可以使玻璃在熔化時容易流動,不易殘留氣泡,除讓水晶較清澈外,並可增加其折射率及色散度。物質的折射率越大,越容易全反射,因此越燦亮。折射率主要取決於光穿透物質的速度,折射率高的物體,光線進入時受偏折也大,就是所謂的司乃耳定律。一般在比重大的物質中光速較慢,對光偏折大,因此比重大的含鉛水晶其折射率甚至可超越天然水晶。

含鉛也使玻璃容易切割出許多平滑的琢面,使晶體反射更加燦爛。人們就針對這類特性研製類似鑽石切面的飾物,以及閃閃發亮的多琢面的吊燈晶珠,或多菱鏡琢面的容器等。

另外,純二氧化矽的石英玻璃是由純石英砂在攝氏1,715度熔化而成,折射率不高但防蝕性強,對光線包括紫外線、紅外線的透光率是其他玻璃遠遠不及的,常做為特殊光學儀器及光纖。

琉璃算不算水晶?有些琉璃為了增加重量及燦爛度也加入鉛,若其量超過24%就算是彩色水晶。

深度閱讀
  1. 余樹楨(民97)水晶的色彩探密,科學發展432,60-64。
  2. 余樹楨(民98)石英變變變,科學發展433,50-54。
  3. 黃武良、劉淑蓉(民105)大自然的聚寶盆與寶藏,科學發展517,44-49。